阅读说明：本技术 一种半导体激光器及其制作方法 (Semiconductor laser and manufacturing method thereof ) 是由 程洋 王俊 谭少阳 苟于单 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种半导体激光器及其制作方法,该方法包括：在衬底的第一表面上形成外延层,制得外延片；在外延片上形成脊形图形掩膜层；将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀；通入第二气体,在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层；去除外延片上的脊形图形掩膜层；其中,保护气及第二气体为非含氧气体。通过将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀,从而可以使得外延层在刻蚀时,刻蚀面及刻蚀壁不会被氧化；且在刻蚀完成后,在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层,可以进一步通过防氧化层将刻蚀面及刻蚀壁遮盖的方式防止外延片在拿出反应室后刻蚀面及刻蚀壁被空气氧化。(The invention discloses a semiconductor laser and a manufacturing method thereof, wherein the method comprises the following steps: forming an epitaxial layer on the first surface of the substrate to obtain an epitaxial wafer; forming a ridge pattern mask layer on the epitaxial wafer; placing the epitaxial wafer with the formed ridge pattern mask layer in a reaction chamber with protective gas for etching; introducing a second gas, and growing an anti-oxidation layer on the etching surface and the etching wall of the epitaxial wafer; removing the ridge pattern mask layer on the epitaxial wafer; wherein the shielding gas and the second gas are non-oxygen-containing gases. The epitaxial wafer with the ridge-shaped pattern mask layer is placed in a reaction chamber with protective gas for etching, so that an etched surface and an etched wall cannot be oxidized when the epitaxial layer is etched; and after the etching is finished, an anti-oxidation layer grows on the etching surface and the etching wall of the epitaxial wafer, and the etching surface and the etching wall of the epitaxial wafer can be further prevented from being oxidized by air after the epitaxial wafer is taken out of the reaction chamber in a mode that the anti-oxidation layer covers the etching surface and the etching wall.)

一种半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种半导体激光器及其制作方法。

背景技术

半导体激光器是一种重要的光电器件，在工业、国防等领域具有广泛的应用。半导体激光器的侧向波导结构包括增益波导结构、脊型波导结构、掩埋波导结构等，其中最常见是脊型波导结构。传统的脊型波导结构的制作方法如下：半导体激光器晶圆片生长完成后，进行光刻得到光刻胶掩膜，然后使用湿法腐蚀外延层制作脊型结构，最后再去掉光刻胶。

传统的脊型波导结构的制作方法存在如下问题：半导体激光器的波导层和限制层通常采用含铝材料(如AlGaAs，AlGaInP等)等易氧化的材料，在使用湿法腐蚀制作脊型会导致含Al材料暴露在溶液以及空气中，导致含Al材料发生氧化。当半导体激光器处于工作状态时，在热、光、电的刺激下，这些氧原子可能会向半导体激光器的发光区移动，引发器件失效。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体激光器及其制作方法，以解决传统脊型波导结构制作方法会导致易氧化材料在制作过程中容易发生氧化的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器的制作方法，包括：在衬底的第一表面上形成外延层，制得外延片；在外延片上形成脊形图形掩膜层；将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀；通入第二气体，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层；去除外延片上的脊形图形掩膜层；其中，保护气及第二气体为非含氧气体。

可选地，将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀，包括：将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有第一预设温度、第一预设流量的保护气的MOCVD反应室中进行刻蚀，刻蚀气体为CBr₄或CCl₄。

可选地，第一预设温度的范围为650℃－850℃，保护气为AsH₃，第一预设流量为10sccm－300sccm，刻蚀气体通过H₂载入，刻蚀气体的流量为100sccm－1000sccm。

可选地，在通入第二气体，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层之前，半导体激光器的制作方法还包括：关闭刻蚀气体，将反应室的温度调节至第二预设温度，将保护气的流量调节至第二预设流量。

可选地，第二气体为TMGa，第二预设温度为500℃－700℃，第二预设流量为10sccm-120sccm。

可选地，半导体激光器的制作方法还包括：在外延片上形成绝缘层，并制作电极。

可选地，掩膜层的材料为SiN，在外延片上形成脊形图形掩膜层，包括：利用PECVD在外延片的第一表面沉积SiN；利用光刻、刻蚀将脊形图形转移到SiN上，形成脊形图形掩膜层。

可选地，外延层包括自下而上的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层，在衬底的第一表面上形成外延层，包括：将衬底放入MOCVD反应室内，逐层生长缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层。

可选地，外延片刻蚀的深度至上限制层。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器，包括：衬底；外延层，设置在衬底上，外延层包括脊形波导结构；防氧化层，设置在脊形波导结构的外表面，脊形波导结构和防氧化层通过如第一方面或第一方面任意实施方式中的半导体的激光器的制作方法形成。

本发明实施例提供的半导体激光器及其制作方法，通过在衬底的第一表面上形成外延层，制得外延片，在外延片上形成脊形图形掩膜层，将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀，其中，保护气为非含氧气体，从而可以使得外延层在刻蚀时，刻蚀面及刻蚀壁不会被氧化；且在刻蚀完成后，通入第二气体，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层，其中，第二气体为非含氧气体，可以进一步通过防氧化层将刻蚀面及刻蚀壁遮盖的方式防止外延片在拿出反应室后并进行后续工序过程中刻蚀面及刻蚀壁被空气氧化，从而减少半导体激光器工作过程中氧杂质向发光区扩散的可能性，提升半导体激光器的寿命与可靠性，从而解决传统脊型波导结构制作方法会导致易氧化材料在制作过程中容易发生氧化的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的半导体激光器的制作方法的流程图；

图2示出了本发明实施例的在衬底的第一表面上形成外延层后的半导体激光器的结构示意图；

图3示出了本发明实施例的制得脊形图形掩膜层后的半导体激光器的结构示意图；

图4示出了本发明实施例的刻蚀后的半导体激光器的结构示意图；

图5示出可本发明实施例的生长防氧化层后的半导体激光器的结构示意图；

图6示出了本发明实施例的去除外延片上脊形图形掩膜层后的半导体激光器的结构示意图；

图7示出了本发明实施例的在外延片上形成绝缘层及电极后的半导体激光器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种半导体激光器的制作方法，如图1所示，包括：

S101.在衬底11的第一表面上形成外延层，制得外延片；具体地，可通过外延生长、溅射、光刻、刻蚀等的方式在衬底11的第一表面形成外延层，制得外延片的结构如图2所示。外延层可以具体包括自下而上的缓冲层12、下限制层13、下波导层14、有源层15、上波导层16、上限制层17、接触层18。有源层15可以包括自下而上的下量子垒层151、量子阱层152、上量子垒层153。

S102.在外延片上形成脊形图形掩膜层19；具体地，为了制得脊形波导结构，可以在外延片上先形成一层含脊形图形的掩膜层，然后通过刻蚀的方式制得脊形波导结构。可通过外延生长、沉积、溅射、光刻、刻蚀等的方式在外延片上形成脊形图形掩膜层19，制得脊形图形掩膜层的结构如图3所示。

S103.将形成脊形图形掩膜层19的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀；其中，保护气为非含氧气体。具体地，外延层中的上波导层16和上限制层17中通常含有Al，为了防止外延层刻蚀至上限制层17时，上限制层17中的Al被氧化，可将外延片刻蚀的步骤放入具有保护气的反应室中进行，从而使得上限制层17的刻蚀面和刻蚀壁处于无氧环境，从而上限制层17中的Al不会被氧化，刻蚀后的外延片中的上限制层17及接触层18中即形成了脊形波导结构，刻蚀后的外延片的结构如图4所示。

S104.通入第二气体，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层20；其中，第二气体为非含氧气体。具体地，刻蚀完成后，需要将外延片从反应室中取出，再进行后续的工序，如果刻蚀完成后，直接取出，那么外延片在后续的工序中将直接暴露在水和氧的环境中，那么外延片的刻蚀壁和刻蚀面将还是会被氧化。因此，为了防止外延片的刻蚀面及刻蚀壁在后续的工序中直接暴露在水和氧的环境中，从而被氧化，可以在外延片在取出之前，通入第二气体，使得第二气体与保护气混合后，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长一层防氧化层20，从而遮盖住外延片的刻蚀面及刻蚀壁，防止上限制层17中的Al被氧化，生长防氧化层20后的外延片的结构如图5所示。

S105.去除外延片上的脊形图形掩膜层19。具体地，将外延片从反应室中取出，可以利用BOE溶液选择性去掉脊形图形掩膜层19。去除外延片上的脊形图形掩模19，得到了半导体激光器晶圆片，如图6所示。从而可以进行后续常规的步骤，形成半导体激光器。

本发明实施例提供的半导体激光器的制作方法，通过在衬底的第一表面上形成外延层，制得外延片，在外延片上形成脊形图形掩膜层，将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀，其中，保护气为非含氧气体，从而可以使得外延层在刻蚀时，刻蚀面及刻蚀壁不会被氧化；且在刻蚀完成后，通入第二气体，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层，其中，第二气体为非含氧气体，可以进一步通过防氧化层将刻蚀面及刻蚀壁遮盖的方式防止外延片在拿出反应室后并进行后续工序过程中刻蚀面及刻蚀壁被空气氧化，从而减少半导体激光器工作过程中氧杂质向发光区扩散的可能性，提升半导体激光器的寿命与可靠性，从而解决传统脊型波导结构制作方法会导致易氧化材料在制作过程中容易发生氧化的问题。

在可选的实施例中，将形成脊形图形掩膜层19的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀，包括：将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有第一预设温度、第一预设流量的保护气的MOCVD反应室中进行刻蚀，刻蚀气体为CBr₄或CCl₄。具体地，金属有机化合物化学气相沉淀设备(MOCVD)具有高度的可控性，能够提供较高的温度，密闭的无氧空间环境，因此，可以将外延片的刻蚀步骤放入MOCVD反应室中进行，在MOCVD反应室中充入保护气以及刻蚀气体，通过控制保护气体的流量、刻蚀气体的流量以及反应室的温度等参数，精确控制刻蚀气体对外延片的腐蚀速率，直到得到特定的脊形深度。

通过在MOCVD反应室，通过CBr₄或CCl₄来腐蚀外延片制作脊形波导结构，能够有效控制晶圆片上各脊形波导结构刻蚀的速率及深度，从而可以使得制作的半导体激光器的阈值电流、远场发散角等诸多性能参数比较稳定。并且刻蚀过程中是在保护气的气氛中进行，能够保证刻蚀时外延片的刻蚀面及刻蚀壁不会被氧化。

在可选的实施例中，第一预设温度的范围为650℃－850℃，保护气为AsH₃，第一预设流量为10sccm－300sccm，刻蚀气体通过H₂载入，刻蚀气体的流量为100sccm－1000sccm。具体地，通过控制反应室的温度为650℃－850℃，保护气的流量为10sccm－300sccm，刻蚀气体的流量为100sccm－1000sccm，可以使得刻蚀气体对外延片的腐蚀速率控制在0.1nm/s－3nm/s，从而通过控制腐蚀的时间，可以有效地控制脊形深度，得到特定的脊形深度。刻蚀气体为CBr₄或CCl₄，CBr₄或CCl₄在常温下是固态的，因此，可以采用H₂为载气，通过H₂将CBr₄或CCl₄带入反应室中。

在可选的实施例中，在通入第二气体，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层之前，半导体激光器的制作方法还包括：关闭刻蚀气体，将反应室的温度调节至第二预设温度，将保护气的流量调节至第二预设流量。具体地，刻蚀完成后，需要关闭刻蚀气体。且生长防氧化层的条件与刻蚀时的条件不一致，可以通过调节反应室的温度、保护气的流量等使反应室的条件达到生长防氧化层的条件。

通过关闭刻蚀气体，调节反应室的温度、保护气的流量等，可以使得反应室达到生长防氧化层的条件，同时可以在刻蚀完毕后，继续在反应室内进行生长防氧化层，防止外延片的刻蚀面及刻蚀壁被氧化。

在可选的实施例中，第二气体为TMGa，第二预设温度为500℃－700℃，第二预设流量为10sccm-120sccm。具体地，反应室内的保护气体为AsH₃，通入TMGa气体，可以使得AsH₃与TMGa反应，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上形成GaAs，从而将暴露的刻蚀面及刻蚀壁盖住，防止外延片的刻蚀面及刻蚀壁被氧化。

在可选的实施例中，半导体激光器的制作方法还包括：在外延片上形成绝缘层，并制作电极。具体地，形成脊形波导结构后，可以按照常规半导体激光器的制作流程，沉积SiO₂介质层21，减薄，制作p电极22，并在衬底的第二表面上制作n电极23，如图7所示。之后，再将半导体激光器晶圆片进行解理即可得到半导体激光器芯片。

在可选的实施例中，掩膜层的材料为SiN，在外延片上形成脊形图形掩膜层，包括：利用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)在外延片的第一表面沉积SiN；利用光刻、刻蚀将脊形图形转移到SiN上，形成脊形图形掩膜层。具体地，由于刻蚀时需要防止外延层被氧化，因此，掩膜层的材料为非含氧材料，且为了使得掩膜层能够承受刻蚀过程中的高温，掩膜层的材料可以为SiN。

在可选的实施例中，外延层包括自下而上的缓冲层12、下限制层13、下波导层14、有源层15、上波导层16、上限制层17、接触层18，在衬底11的第一表面上形成外延层，包括：将衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀设备(MOCVD)反应室内，逐层生长缓冲层12、下限制层13、下波导层14、有源层15、上波导层16、上限制层17、接触层18。衬底11的材料可以为砷化镓(GaAs)。缓冲层12的材料可以为GaAs。下限制层13的材料可以为AlGaAs。下波导层14的材料可以为AlGaAs。有源层15可以包括自下而上的下量子垒层151、量子阱层152、上量子垒层153，下量子垒层151和上量子垒层153的材料可以为GaAs，量子阱层152的材料可以为InGaAs。上波导层16的材料可以为AlGaAs。上限制层17的材料可以为AlGaAs。接触层18的材料可以为GaAs。

在可选的实施例中，外延片刻蚀的深度至上限制层17。具体地，外延片刻蚀的深度至上限制层17，但没有至上波导层16。

本发明实施例还提供了一种半导体激光器，如图7所示，包括：衬底11；外延层，设置在衬底11上，外延层包括脊形波导结构；防氧化层20，设置在脊形波导结构的外表面，脊形波导结构和防氧化层20通过如上述任意实施例中的半导体的激光器的制作方法形成。具体地实施方式详见上述实施例中半导体激光器的制作方法的描述，在此不再赘述。

本发明实施例提供的半导体激光器，通过在衬底的第一表面上形成外延层，制得外延片，在外延片上形成脊形图形掩膜层，将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀，其中，保护气为非含氧气体，从而可以使得外延层在刻蚀时，刻蚀面及刻蚀壁不会被氧化；且在刻蚀完成后，通入第二气体，在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层，其中，第二气体为非含氧气体，可以进一步通过防氧化层将刻蚀面及刻蚀壁遮盖的方式防止外延片在拿出反应室后并进行后续工序过程中刻蚀面及刻蚀壁被空气氧化，从而减少半导体激光器工作过程中氧杂质向发光区扩散的可能性，提升半导体激光器的寿命与可靠性，从而解决传统脊型波导结构制作方法会导致易氧化材料在制作过程中容易发生氧化的问题。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。